箍筋約束混凝土局部受力試驗分析

賴俊鋼

（廣西路建工程集團有限公司，廣西南寧 530001）

0 引言

我國在《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠景目標綱要》中明確提出“加強建設現(xiàn)代化基礎設施體系”。公路橋梁作為交通體系中至關(guān)重要的一部分，近年來迅速發(fā)展。但隨著橋梁跨度的不斷增大，相關(guān)項目也出現(xiàn)了一系列新的技術(shù)問題，對橋梁結(jié)構(gòu)也有了更加嚴格的要求。對于混凝土橋梁局部受力結(jié)構(gòu)，我國學者進行了很多研究且已有一些成果得以推廣應用［1-2］，楊波等［3］對鋼纖維混凝土局部承壓問題進行了研究，并提供相關(guān)計算公式。隨著結(jié)構(gòu)形式和材料的發(fā)展，邱明紅等［4］提出超高性能混凝土（UHPC）局部承壓承載力計算方法，為國內(nèi)UHPC橋梁結(jié)構(gòu)設計規(guī)范的編制提供了參考。倪洪將等［5］對比分析了不同加載區(qū)域和偏載位置下的混凝土力學性能。肖飛等［6］采用雙重環(huán)箍的箍筋形式進行局部承壓的模擬分析，得出雙重環(huán)箍的樁柱具有更好的延性和承載力，更利于施工。

混凝土橋梁局部受力結(jié)構(gòu)是通過局部受力區(qū)域?qū)⒑奢d傳遞至支撐結(jié)構(gòu)，然而局部受力區(qū)域下的混凝土承受較高的應力會造成橋梁結(jié)構(gòu)變形。通常，采用螺旋箍筋或者焊接網(wǎng)片約束混凝土，通過螺旋箍筋或焊接網(wǎng)片使局部受力區(qū)域下的混凝土形成約束混凝土，提高混凝土的強度和剛度。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的局部受力區(qū)域的應力應變分布散亂、變形協(xié)調(diào)困難，因此通常需要將其作為單獨隔離體計算受力情況，而目前使用計算機數(shù)值分析方法較為復雜。基于此，本文擬通過試驗對箍筋約束混凝土局部受力情況進行分析，找出影響混凝土橋梁局部承載力的主要因素，為局部受力結(jié)構(gòu)的設計和計算分析提供思路。

1 局部受力試驗

鑒于混凝土局部受力結(jié)構(gòu)在使用年限中會承受多種類型的力，包括拉力、壓力、剪切力和扭力等，受力情況復雜，因此本文針對局部受力結(jié)構(gòu)的受壓和受剪2 種受力情況進行試驗研究。試驗設置如下：①試驗的試件規(guī)格選擇150 mm×150 mm×150 mm 的立方體，其中內(nèi)置的箍筋采用2 種方式，即矩形螺旋箍筋和矩形箍筋。②選擇C60 標號的混凝土材料、直徑為6 mm 的高強度鋼筋和HRB500 熱軋帶肋鋼筋，其中鋼筋抗拉強度不低于1 860 MPa。③一共設計3組試驗，分別為A 組、B 組和C 組，其中每組試驗7 個試件。在試驗過程中，對每組試件的筋強度、配箍率和箍筋類型進行設置，每組試驗的箍筋間距從最初的2 cm 逐漸增加到8 cm，而配筋率也從最初的1.38%逐漸降至0.25%。A 組和B 組試驗采用矩形螺旋箍筋，其中A 組試驗的抗拉強度為1 860 MPa，而B組試驗的抗拉強度為630 MPa，C 組試驗采用矩形箍筋，其抗拉強度為1 860 MPa。試件編號及參數(shù)設計見表1。

表1 試件編號及參數(shù)設計

1.1 局部受壓試驗

進行局部受壓試驗時，主要采用圓柱體剛性模型模擬箍筋約束混凝土的局部受壓情況，該模型通過模擬混凝土在箍筋約束下的受力情況，幫助研究人員開展局部受壓試驗。試驗中使用萬能材料試驗機輔助加載，通過控制位移的加載方式，確保施加荷載的穩(wěn)定性，當試件被加載至完全受損時，局部承載力的大小為局部受壓的極限承載力。試驗中箍筋約束混凝土的局部受壓模擬如圖1所示，其中Q表示軸向壓力，h表示試件的高度，b表示試件的寬度。

圖1 箍筋約束混凝土的局部受壓模擬

1.2 局部受剪試驗

混凝土橋梁的局部受壓結(jié)構(gòu)被破壞時，主要表現(xiàn)為劈裂破壞和剪切破壞2 種形式。然而，當前對混凝土橋梁的局部受壓結(jié)構(gòu)的受剪承載力試驗的研究較少。因此，為確保試驗數(shù)據(jù)的科學性和可信度，在進行局部受壓結(jié)構(gòu)受剪試驗時，主要采用箍筋約束混凝土構(gòu)件進行剪切試驗。通過對箍筋強度、箍筋形式和箍筋配筋率3個參數(shù)進行數(shù)據(jù)研究和分析，總結(jié)受剪極限承載力的變化規(guī)律，為后續(xù)受剪結(jié)構(gòu)試驗提供數(shù)據(jù)參考和依據(jù)。剪切試驗步驟按照本文“1.1”章節(jié)中的試驗方法進行，混凝土橋梁的局部受壓結(jié)構(gòu)的加載實驗過程如圖2所示。

圖2 混凝土橋梁的局部受壓結(jié)構(gòu)的加載實驗過程

2 結(jié)果分析與討論

2.1 局部受壓試驗結(jié)果

表2為不同變量下局部受力結(jié)構(gòu)的局部受壓極限承載力大小，從表2中的數(shù)據(jù)可以分析得出，當箍筋的螺距從20 mm 增加至80 mm 時，1 860 MPa 螺旋箍筋的強度從296.64 MPa 逐漸下降至128.33 MPa；HRB500 螺旋箍筋的強度從171.46 MPa 逐漸下降至87.04 MPa；1 860 MPa 矩形箍筋的強度從301.24 MPa逐漸下降至134.99 MPa。以上結(jié)果說明：隨著螺距的不斷增加，3種箍筋的強度均逐漸下降。其中，當箍筋的螺距從20 mm 變?yōu)?0 mm 時，1 860 MPa 螺旋箍筋強度降低了60.62 MPa；HRB500 螺旋箍筋強度降低了37.24 MPa；1 860 MPa 矩形箍筋強度降低了64.13 MPa，3 種箍筋的局部受壓極限承載力均大幅度下降。

表2 局部受壓極限承載力試驗值

圖3 為局部受壓承載力試驗結(jié)果。通過對圖3 中的箍筋約束混凝土局部受壓承載力試驗結(jié)果進行分析，得出以下結(jié)論。

圖3 局部受壓承載力試驗結(jié)果

（1）結(jié)合表2 中數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)，矩形箍筋約束混凝土構(gòu)件的局部受壓極限承載能力較好，與矩形螺旋箍筋約束混凝土試件相比，兩者之間的承載能力差距較小。

（2）如果選擇矩形箍筋作為箍筋的形式，并且箍筋強度為1 860 MPa 時，箍筋約束混凝土構(gòu)件的局部受力極限承載力約是HRB500 螺旋箍筋約束混凝土構(gòu)件的承載能力的1.5倍。

（3）分析圖3 可以發(fā)現(xiàn)，箍筋約束混凝土構(gòu)件的局部受壓極限承載力與配筋率呈線性正比關(guān)系。當配筋強度相同時，線性方程的斜率越大，箍筋的強度越高，意味著其承載能力越大，特別是當配筋強度達到1 860 MPa 時，箍筋約束混凝土構(gòu)件的承載能力增長顯著，增長速度最快。

2.2 局部受剪試驗結(jié)果

表3 為不同變量下箍筋約束混凝土局部受力結(jié)構(gòu)的局部受剪極限承載力試驗值，從表3中的數(shù)據(jù)分析得出，當螺距從20 mm 增加到80 mm 時，1 860 MPa螺旋箍筋的強度從601.3 MPa逐漸下降到333.6 MPa，HRB500 螺旋箍筋的強度從450.2 MPa 逐漸下降到249.8 MPa，1 860 MPa 矩形箍筋的強度從610.2 MPa逐漸下降到328.4 MPa。以上結(jié)果說明，無論采用哪種類型的箍筋，隨著其螺距的不斷增加，抗剪承載力不斷降低。

表3 局部受剪極限承載力試驗值

根據(jù)圖4 中的箍筋約束混凝土局部受剪承載力試驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

圖4 局部受剪承載力試驗結(jié)果

（1）當鋼筋的強度達到1 860 MPa 時，與螺旋箍筋約束混凝土構(gòu)件相比，采用矩形箍筋的約束混凝土構(gòu)件的局部受剪承載力高出約1/3。因此，矩形箍筋的約束混凝土在局部受剪承載力方面的表現(xiàn)更出色。

（2）如果配筋率相同，相比HRB500螺旋箍筋約束混凝土構(gòu)件，1 860 MPa螺旋箍筋約束混凝土構(gòu)件的局部受剪承載力高出約1/4，說明高強度的1 860 MPa螺旋箍筋在局部受剪承載力方面具有明顯的優(yōu)勢。

（3）圖4 為局部受剪承載力試驗結(jié)果。根據(jù)圖4可知，箍筋約束混凝土構(gòu)件的局部受剪承載力與配筋率成正比關(guān)系，斜率越大，即配筋率越高，鋼筋強度越高，承載力也隨之增強。

2.3 工程應用建議

結(jié)合本次試驗結(jié)果和研究人員的施工經(jīng)驗，針對箍筋約束混凝土構(gòu)件局部受力結(jié)構(gòu)強度低的問題，本文提出提高局部受力結(jié)構(gòu)整體強度的建議。首先，針對混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)，在選擇鋼筋材料時應考慮選用高強度的鋼筋材料，提升鋼筋混凝土的約束能力和強度，增強局部受力結(jié)構(gòu)的抵抗能力，最大限度地降低局部受力結(jié)構(gòu)受損的可能性，提高建筑物受力區(qū)域的穩(wěn)定性和安全性。其次，在相同結(jié)構(gòu)強度的條件下，除了選擇高強度的鋼筋材料，還應該相應地減小鋼筋率，不僅有助于提高混凝土澆筑的效率，還能夠在確保澆筑質(zhì)量的同時降低材料成本，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和結(jié)構(gòu)性能的平衡。

3 結(jié)語

本文針對箍筋約束混凝土結(jié)構(gòu)的受壓和受剪性能進行試驗研究，得出關(guān)鍵性結(jié)論如下：①在受壓方面，局部受力結(jié)構(gòu)的受壓極限承載力與配筋率呈正比關(guān)系。當配筋強度相同時，線性方程的斜率越大，鋼筋的強度越高，結(jié)構(gòu)的承載能力提高越快。②矩形箍筋約束混凝土試件相對于螺旋箍筋試件具有更高的承載能力，能提高受力結(jié)構(gòu)的受壓性能。③在受剪方面，局部受力結(jié)構(gòu)的受剪承載力包括混凝土抗剪承載力和箍筋抗剪承載力，通過采用高強度的箍筋配置，可以顯著提高結(jié)構(gòu)的抗剪承載力。矩形箍筋相對于螺旋箍筋可以使箍筋約束混凝土試件的受剪承載力提高約35%。④當配筋率相同時，HRB500 螺旋箍筋約束混凝土構(gòu)件相對于1 860 MPa螺旋箍筋約束混凝土構(gòu)件的局部受剪承載力略低，表明配筋率與局部受壓和受剪承載力都呈線性正比關(guān)系，并且高強度的鋼筋配置可顯著提高結(jié)構(gòu)的承載能力。